一种低成本高纯碳纳米管薄膜的制备方法与流程

本发明涉及一种高纯碳纳米管薄膜的制备方法，尤其涉及一种不使用其它表面活性剂的低成本、尺寸可控和高效的液相制备碳纳米管薄膜的方法。

背景技术：

碳纳米管是一种典型的一维材料，自从1991年被发现以来，碳纳米管在光电子和生物传感等领域的应用前景引起了广泛的关注。碳纳米管按照其结构可以分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管具有很大的比表面积以及优异的导电性和热稳定性。由碳纳米管排列而成的碳纳米管薄膜也具有独特的物理和化学性质，使其在柔性电极、可穿戴设备、触摸屏和显示器等方面具有广阔的应用前景。

碳纳米管薄膜可以由碳源直接生长为薄膜，也可以通过利用碳纳米管作为原料来成膜。由碳源直接生长成膜法对设备的要求较高，制备的工艺条件也比较严苛，很难实现大批量的制备。利用碳纳米管来制备薄膜的工艺过程则相对简单，最常见的方法就是液相沉积法。申请号201510495655.5的“一种碳纳米管薄膜的制备方法”中提及了一种可以选择性吸附碳纳米管的介质来成膜，然而其制备过程不仅使用了表面活性剂，还有酸化过程。由于碳纳米管很容易团聚，不容易分散，因而很多制备方法都使用表面活性剂来帮助分散。表面活性剂是很难完全去除的，残留的表面活性剂对其光学性质会产生很大的影响，此外一些酸化过程也会破坏碳纳米管化学结构的完整性。因而，急需一种不使用任何表面活性剂的碳纳米管薄膜的制备方法。申请号200910309105.4的“碳纳米管薄膜的制备方法”同样采用了真空抽滤的方法制备碳纳米管薄膜，然而去除分散液的过程复杂，时间周期长，过程中还使用了强酸等化学试剂，容易污染和破坏碳纳米管。此外，在去除滤膜时，要在丙酮蒸汽中保持1h以上，丙酮是有毒气体，容易造成环境污染和不安全因素，且去除滤膜的时间较长，不利于提高制备效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低成本无添加剂的高纯碳纳米管薄膜的制备方法，通过不添加任何添加剂来进行真空抽滤成膜，来有效保护碳纳米管的化学结构的完整性，从而保持碳纳米管优异的光电特性。

本发明公开了一种低成本高纯碳纳米管薄膜制备方法，其特征在于把碳纳米管放入有机溶剂中进行液相超声分散和机械搅拌，得到分布均匀的碳纳米管分散液，碳纳米管分散液的浓度在0.05～0.1mg/ml，通过真空抽滤，得到粘附于滤纸上的碳纳米管薄膜，通过对粘附在滤纸上的碳纳米管薄膜进行大面积的剥离，使其易于转移到其他不同的衬底上，以适应不同的应用需求。

所说的低成本高纯碳纳米管薄膜制备方，包括获得均匀的碳纳米管分散液，碳纳米管分散液的真空抽滤及碳纳米管薄膜的转移等操作步骤，其特征具体如下：

步骤（1）仅采用无水乙醇作为碳纳米管的分散剂，不添加其它任何表面活性剂，碳纳米管与无水乙醇的配比为5-10mg:50-100ml，碳纳米管分散于无水乙醇中；

步骤（2）把碳纳米管和无水乙醇的分散液超声30～36min，然后机械搅拌2h，搅拌转速为500rpm，再超声3～5min后，进行真空抽滤，把薄膜烘干，即可快速得到吸附于滤纸上的碳纳米管薄膜；

步骤（3）取干燥处理后的碳纳米管薄膜，沿膜的边缘划一圈缺口，再把粘附于滤纸上的碳纳米管薄膜置于200～300ml的无水乙醇溶液中，注意要使有膜的那一面朝下，在75℃下加热使无水乙醇溶液沸腾，利用气泡往外溢出的张力，便可实现薄膜与滤纸的快速分离；

步骤（4）碳纳米管薄膜与滤纸分离后，取走滤纸，将剥落后的碳纳米管薄膜置于无水乙醇溶液中，在转移到石英衬底或其它衬底上时，只需用石英片捞起，让碳纳米管薄膜附着在石英片或其它衬底上，再进行干燥，即可成功地将碳纳米管薄膜转移。

上述步骤（1）中的碳纳米管是单壁、双壁或多壁碳纳米管中的一种或几种。

本发明中，步骤（1）中在获得碳纳米管的分散液时，只采用了无水乙醇这一种有机溶剂作为分散剂，无水乙醇有利于使沉积得到的薄膜致密，并且无水乙醇极易挥发，成膜后通过加热便可以完全去除，可以获得高纯的碳纳米管薄膜；

步骤（2）中使用真空抽滤获得薄膜的方法，采用的设备简单方便，在4h的时间内边可制备出碳纳米管薄膜，并且可以批量化制备，可以同时使用不同尺寸的抽滤装置来获取不同尺寸的碳纳米管薄膜；该抽滤装置主要是由玻璃砂芯过滤装置、滤纸和真空泵构成，不同尺寸的抽滤装置主要是指不同规格的玻璃砂芯过滤装置以及不同尺寸的滤纸。因而，通过改变抽滤装置的尺寸来制作不同尺寸的碳纳米管薄膜。

步骤（3）中采用鼓泡法分离碳纳米管薄膜和滤纸的方式，所使用的溶液和碳纳米管的分散剂一致，既降低了成本又不会引入新的杂质，此外，还不会对环境造成污染。并且此方法可以快速的使碳纳米管薄膜和滤纸分离，与通过酸化或在溶液中长时间浸泡来使其分离的方法相比，极大的节约了时间成本，也避免了碳纳米管薄膜的二次污染，因此，具有高效性和高纯性；

步骤（4）中把剥落后的碳纳米管薄膜置于无水乙醇溶液中，可以避免碳纳米管的卷曲，同时便于转移到其他衬底上，即可很容易获得碳纳米管与其它衬底或薄膜的复合结构。

本发明制备的高纯碳纳米管薄膜，在真空抽滤成膜过程以及碳纳米管薄膜的剥离过程中都仅使用了一种易挥发的无水乙醇试剂。杂质对材料的光学性质会产生很大的影响，因而只有高纯的碳纳米管薄膜才更适于用于光电子领域。

本发明的技术效果及优点：

1．整体技术路线创新，采用简便、可行及环保的设计思路成功制备出了高纯的碳纳米管薄膜，使用到的化学试剂都便宜廉价，无毒无害。

2．此方法制备过程简便，操作可行，在制备过程和转移过程中仅使用了无水乙醇这一种易挥发的有机试剂，在保持了碳纳米管化学结构完整性的同时，由使制备得到的碳纳米管薄膜不含其它添加剂，具有高的纯度，从而可以很好的应用于光电子器件领域。

3．碳纳米管薄膜的制备周期短，碳纳米管薄膜的尺寸可控。

附图说明

图1为制备高纯碳纳米管薄膜制备的示意图；图中1分散剂、2是cnt、3超声、4搅拌、5是cnt分散液、6抽滤装置、7滤纸、8是cnt薄膜、9干燥、10剥离、11无水乙醇、12转移、13衬底。

图2为制备得到的碳纳米管薄膜的可见光图；

图3为制备得到的碳纳米管薄膜的i-v分析结果图；

图4为制备得到的碳纳米管薄膜的uv-vis表征光谱图。

具体实施方式

实施例1，如图1-4所示

称取双壁碳纳米管10mg放入烧杯中，加入100ml无水乙醇，水浴超声处理36min，然后进行机械搅拌，搅拌转速为500rpm,搅拌时间为2h，搅拌完成后再水浴超声3min，即可得到碳纳米管的均匀分散液。把碳纳米管分散液立即进行真空抽滤，得到粘附于滤纸上的碳纳米管薄膜。把他纳米管薄膜进行干燥后，沿薄膜的边缘划一圈缺口，再置于无水乙醇中，75℃煮沸5～10min，碳纳米管薄膜便从滤纸上剥离下来。将剥离下来的碳纳米管薄膜置于无水乙醇中，转移时，用所需要的衬底捞起即可实现碳纳米管的转移。

如图1所示，为碳纳米管薄膜制备过程的示意图，其设备简单、工艺简洁，制备周期小于5h,制备的碳纳米管薄膜具有高纯度。

如图2所示，为碳纳米管薄膜的可见光图，制备的碳纳米管具有很好的致密性。

如图3所示，为谈纳米管薄膜的i-v分析图，碳纳米管薄膜的电阻很小，具有很好的导电性以及均匀性。

如图4所示，为碳纳米管薄膜的紫外-可见光吸收表征光谱图，可看到碳纳米管薄膜具有宽的吸收波谱。

本发明提到的一个或多个步骤并不排斥所述组合步骤还存在其他方法及操作过程；还应注意，该实例仅用于说明本发明的可行性，而不是限制本发明的范围。除此之外，在无实质性改变制备技术内容的情况下，亦当视为本发明的可实施范畴。